CN114457221B - 一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，包括连通阀，其内沿轴向依次设置有相连通的入口管、喷嘴和聚焦管，入口管连接在连通阀的上端，并将喷嘴压紧在连通阀内，聚焦管连接在连通阀的下端；聚焦管和所述喷嘴之间形成一混合腔，沿连通阀径向分别固定有与混合腔连通的两直角连通管，其分别与一进料管相连，聚焦管的出口伸出连通阀外并与一侧向喷头相连；侧向喷头内沿轴向设置有锥形孔和偏转装置，垂直于轴向则设置有侧出口孔，其入口夹设在所述锥形孔的出口和偏转装置之间。本发明的侧向喷射装置，通过聚焦管、侧向喷头的锥形孔进行加速后由偏转装置使颗粒射流转向并从侧出口孔喷射出，实现对空间受限部位表面的水射流强化。
Description
技术领域
本发明涉及表面强化技术领域，更具体地涉及一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置。
背景技术
金属表面强化是一种有效的抗疲劳表面改性技术，其基本原理是对材料表面进行挤压或冲击进而使材料表层产生一定的塑性变形和晶粒细化层，提高材料表层硬度，降低材料表面粗糙度，并对材料内壁引入有益的残余压应力，达到提高材料的疲劳寿命的目的。
水射流强化技术是目前比较有发展前景的表面改性技术之一，其将携带巨大能量的高压纯水射流或混入弹丸的混合水射流束按一定方式高速喷射到金属工件表面，使表层材料产生塑性变形，从而获得一定厚度的强化层，具有绿色环保，可控性强，强化效果好等诸多优点。
但是，现有的水射流强化都是基于直喷嘴进行加工，在对航空零部件榫槽内壁、涡轮盘中心孔壁等空间受限部位的表面进行水射流强化加工时，不能保证直喷嘴与被加工表面垂直，而是存在一倾斜角度，而倾斜角度的射流会导致被加工件表面的切削，影响表面质量；因此，现有技术无法实现对空间受限部位的水射流强化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，以实现对空间受限部位的水射流强化。
本发明提供一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，包括：连通阀，所述连通阀内沿轴向依次设置有相连通的入口管、喷嘴和聚焦管，所述入口管连接在所述连通阀的上端，并将所述喷嘴压紧在所述连通阀内，所述聚焦管连接在所述连通阀的下端；
所述聚焦管和所述喷嘴之间形成一混合腔，沿连通阀径向分别固定有与所述混合腔连通的两直角连通管，所述直角连通管分别与一进料管相连，所述聚焦管的出口伸出所述连通阀外并与一侧向喷头相连；
所述侧向喷头内沿轴向设置有锥形孔和偏转装置，垂直于轴向则设置有侧出口孔，所述侧出口孔的入口夹设在所述锥形孔的出口和偏转装置之间。
进一步地，所述偏转装置包括底座和设置于底座上的偏转销，所述偏转销的顶面为弧面，所述弧面与所述侧出口孔的下侧相交。
进一步地，所述侧向喷头内设置有圆柱孔，所述偏转销容置于所述圆柱孔内。
进一步地，所述聚焦管具有直径渐缩的圆弧形收敛口和细长孔，所述收敛口与所述混合腔相连通，所述细长孔与所述侧向喷头内的锥形孔相连通。
进一步地，所述喷嘴具有入口和出口，所述入口的直径大于所述出口的直径，所述入口与所述入口管相连通，所述出口与所述混合腔相连通。
进一步地，所述进料管与所述直角连通管垂直。
进一步地，所述进料管与一放置颗粒的料斗相连。
进一步地，所述颗粒为不锈钢、陶瓷或石英。
进一步地，所述颗粒的直径为0.1-0.5mm。
进一步地，所述聚焦管与所述连通阀通过锁紧套和上螺纹压帽紧固连接。
本发明的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，通过直连通管将颗粒运动方向与高速水射流方向垂直，便于颗粒混入高速水射流束的中心，增大颗粒射流速度；通过聚焦管使得颗粒与水的混合更加充分，并进行一级加速；通过侧向喷头的锥形孔进行二级加速，经过偏转装置的偏转销使得颗粒射流束以较小的速度损失进行变向，最终从侧出口孔喷射出，从而实现对空间受限部位表面的水射流强化。
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图2的I部放大图；
图4为图2的II部放大图；
图5为根据本发明实施例的侧向喷射装置的侧向喷头的结构示意图；
图6为根据本发明实施例的侧向喷射装置的偏转装置的结构示意图；
图7为根据本发明实施例的侧向喷射装置的锥形孔、偏转销和侧出口孔之间的配合关系示意图；
图8为根据本发明实施例的侧向喷射装置用于空间受限部位水射流强化时的结构示意图；
图9为根据本发明实施例的空间受限部位的结构示意图，其上标记有水射流强化时的加工轨迹；
图10为根据本发明实施例的侧向喷射装置模拟后的水相体积分数分布图；
图11为根据本发明实施例的侧向喷射装置模拟后的颗粒和水的混合相的速度云图；
图12为根据本发明实施例的侧向喷射装置模拟后的颗粒的运动轨迹与速度大小分布图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1和2所示，本发明实施例提供一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，包括连通阀2，其内沿轴向依次设置有相互连通的入口管1、喷嘴4和聚焦管8，入口管1螺纹连接在连通阀2的上端并将喷嘴4压紧在连通阀2内，聚焦管8连接在连通阀2的下端，其中，聚焦管8和连通阀2之间设置有锁紧套7，然后通过上螺纹压帽6套设在聚焦管8和连通阀2外侧，从而使两者紧固；聚焦管8和喷嘴4之间形成一混合腔20，沿连通阀2径向分别固定有两与混合腔20连通的直角连通管5，直角连通管5分别与一进料管3相连，进料管3与外部的料斗(图未示)相连，用于使不锈钢、陶瓷或石英等颗粒进入直角连通管5中，颗粒的直径为0.1mm至0.5mm，这样既能使颗粒便于制造，又能起到较佳的强化效果；聚焦管8的底部出口伸出连通阀2外并与侧向喷头9相连，侧向喷头9内沿轴向设置有锥形孔91和偏转装置10，垂直于轴向则设置有侧出口孔93，侧出口孔93的入口夹设在锥形孔91的出口和偏转装置10之间，偏转装置10和聚焦管8之间通过下螺纹压帽11锁紧。高压水经过入口管1进入喷嘴4并形成超高速水射流后进入混合腔20，由于超高速水射流附近会产生低压(类似虹吸效应)，因此混合腔20内将形成巨大负压，并将直角连通管5中的颗粒吸入混合腔20中与水射流混合，形成颗粒射流，该颗粒射流经过聚焦管8进入侧向喷头9的锥形孔91中，并在撞击偏转装置10后发生转向而从侧出口孔93喷射而出，从而对空间受限部位进行水射流强化。
进料管3为硬金属管，优选为耐磨无缝钢管，以保证气流的稳定性和颗粒流动的均匀性。进料管3与直角连通管5垂直，从而使得颗粒先垂直进入进料管3后再水平进入混合腔20，一方面可以利用重力作用使得颗粒在负压空气和重力的共同作用下进入进料管3，另一方面使得颗粒可以水平进入混合腔20，便于颗粒混入高速水射流束的中心，由于此处速度最高，因此可以增大颗粒的运动速度。
如图3所示，喷嘴4具有入口41和出口42，且入口41的直径远大于出口42，高压水射流从直径大的入口41进入直径小的出口42后，速度将增大，从而形成超高速水射流，喷嘴4的材质为红宝石或蓝宝石，具有耐磨耐高温高压特性；超高速水射流从出口42进入混合腔20后形成负压，将直角连通管5中的颗粒沿径向吸入混合腔20中与水射流混合，形成颗粒射流。聚焦管8具有直径渐缩的圆弧形收敛口81和细长孔82，颗粒和水射流在收敛口81中可以混合更充分，然后进入细长孔82中，进行一级加速。如图4所示，一级加速后的颗粒射流进入侧向喷头9的锥形孔91中，进行二级加速。
如图5和6所示，偏转装置10包括底座101和设置于底座101上的偏转销102，偏转销102的顶面为弧面，侧向喷头9内设置有圆柱孔92，圆柱孔92、锥形孔91的出口和侧出口孔93的出口的直径相同，偏转销102容置在该圆柱孔92中。如图7所示，偏转销102顶面的最上端紧贴锥形孔91的出口，侧出口孔93的入口轮廓包括上轮廓931和下轮廓932，其中，上轮廓931和下轮廓932均为直径等于锥形孔91出口直径的圆柱与直径等于侧出口孔直径的圆柱所形成的相贯线，锥形孔91的出口与侧出口孔93的上轮廓931紧贴，偏转销102顶面的最下端与与侧出口孔93的下轮廓932紧贴，这样，侧出口孔93的入口被夹在锥形孔91的出口和偏转销102之间，从锥形孔91射出的颗粒射流在撞击在偏转销102后转向进入侧出口孔93的入口，并从其出口射出，这样可使颗粒射流的转向更流畅，避免出现不必要的凹槽和沟壑。
为了便于偏转销102和侧出口孔93的定位，在设计时，可使底座101的C面与侧出口孔92所在的B面平行时，偏转销102的弧面正好与侧出口孔92相交，这样，在安装时，通过使B面和C面平行即可完成定位。
聚焦管8、侧向喷头9和偏转销102均为硬度大于90HRC的碳化钨材质，以承受高压高速颗粒射流。当然，也可以选其他材料，只要硬度大于90HRC即可。
优选地喷嘴4的直径dwi为0.25mm～0.5mm，高压连通阀2的进颗粒孔直径dpi为2mm～3mm，进颗粒孔与喷嘴4的距离lpi为3mm～5mm，混合腔20的直径dmi为4mm～8mm、长度lmi＝(3～4)*lpi，聚焦管8的圆弧收敛口81的长度lfo＝1.5*lmi，聚焦管8的细长孔82的直径dfo为1.5mm～3mm；侧向喷头9的锥形孔91的小端直径dsh等于侧出口孔93的直径dmo，偏转销102的曲面半径rmo＝(1.5～3)*dmo，侧向喷头9的最大外接直径Dc根据空间受限部位的尺寸决定。根据仿真结果可知，上述参数范围内的喷射装置所产生的喷射效果最好，所得到的强化效果也更好。
本发明实施例的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置的使用方法如下：
向入口管1通入高压水射流，并向进料管3中放入颗粒，高压水射流通过喷嘴4形成超高速水射流后将颗粒吸入混合腔20中，形成颗粒射流，颗粒射流依次经过聚焦管8和侧向喷头9，并在侧向喷头9内被偏转销102碰撞而转向从侧出口孔93中喷出；如图8和9所示，在加工时，将侧向喷头9放入空间受限部位12(例如为榫槽)中，并使侧出口孔93与被加工表面垂直，从而使颗粒射流垂直喷射在被加工表面，实现强化，在加工过程中，通过机器人控制侧向喷头9按预设的加工轨迹移动，实现射流强化加工。
通过控制射流工艺参数可以达到有效的表面强化，射流工艺参数包括水射流压强、颗粒流量、靶距、移动速度、加工轨迹间隔。水射流压强不易过小或过大，过小则没有强化效果，过大则会破坏被加工表面，优选的侧向喷射出的水射流压强范围为100MPa～220MPa；颗粒流量低于0.01Kg/s时，颗粒流量小，强化作用不明显，而当颗粒流量超过0.03Kg/s时会造成喷嘴堵塞，因此较佳地，颗粒流量控制在0.01Kg/s～0.03Kg/s；当射流靶距小于3mm和喷嘴移动速度小于3mm/s时对被强化材料产生的侵蚀作用较大，射流靶距大于10mm和喷嘴移动速度大于7.5mm/s时候强化作用不显著，因此较佳地，射流靶距为3mm～10mm，喷头移动速度为3mm/s～7.5mm/s；在加工过程中，控制颗粒射流始终与被加工表面垂直，且加工轨迹之间的间隔小于0.15mm，这样可以使强化效果显著。
本发明实施例提供的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，通过直连通管5将颗粒运动方向与高速水射流方向垂直，便于颗粒混入高速水射流束的中心，增大颗粒射流速度；通过聚焦管8使得颗粒与水的混合更加充分，并进行一级加速；通过侧向喷头9的锥形孔91进行二级加速，经过偏转装置10的偏转销102使得颗粒射流束以较小的速度损失进行变向，最终从侧出口孔93喷射出，从而实现对空间受限部位表面的水射流强化。
为了验证本发明的侧向喷射装置的可行性，基于ANSYS FLUENT软件的VOF-DPM模型，对其进行流固耦合射流模拟。模拟的侧向喷射装置的模型尺寸如下：喷嘴4的直径dwi＝0.3mm，高压连通阀2的进颗粒孔直径dpi＝2mm，进颗粒孔与喷嘴4的距离lpi＝＝3mm，混合腔20的直径dmi＝6mm、长度lmi＝9mm，聚焦管8的收敛口81的长度lfo＝13.5mm，聚焦管8的细长孔82的直径dfo＝2mm，侧出口孔93的直径dmo＝0.8mm，偏转销102的曲面半径rmo＝1.2mm。首先通过ANSYS ICEM对该侧向喷射装置进行网格划分，网格数量为996133；其次通过FLUENT进行参数设置，设置喷嘴4的入口压强为100MPa，DPM模型中的颗粒流量为0.025kg/s。
如图10所示为模拟后的水相体积分数分布，从中可以看出通过多相流的模拟，高压水进入混合腔后形成刚性水柱，在混合腔内部中心水流较多，两侧较少，说明该结构并不会反水；进入收敛口后有部分湍流扰动，随之进入细长孔；遇到弧面转向后从侧出口孔射出；水流的分布大致为沿径向的高斯分布，中心水流体积分数高，越往外越少，水流的总影响半径为0.5mm左右。
如图11所示，高压水射入混合腔后，与内部空气强烈的剪切作用，以及颗粒的混入，导致水流的速度降低，颗粒的速度提高；经过一定距离后(大约为出口8mm处)混合相速度达到稳定；颗粒与水一起进入细长孔，刚进入细长孔后速度提高，经过一定的距离速度到达稳定，之后经过锥形孔加速后速度上升，经过弧面偏转后射流转向，速度衰减，从侧出口孔射出，且射出的速度约有250m/s。
如图12所示，颗粒通过负压吸进入混合腔，大部分颗粒会吸附在刚性水柱周围，少部分颗粒撞击到水柱后会在混合腔内部不断碰撞，最终在收敛口与水流混合。这些颗粒和水流会一起进去细长孔内，不断的混合碰撞，到达弧面转向处，通过转向后从侧出口孔射出，颗粒喷出速度约有217m/s。
通过以上分析可知，混合腔内部颗粒混合均匀，颗粒射流速度分布均匀，转向处的速度衰减较小，侧出口孔处的速度较大，且在转向处不存在大量回流现象，因此，本发明的侧向喷射装置可以用于水射流强化。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，包括连通阀，所述连通阀内沿轴向依次设置有相连通的入口管、喷嘴和聚焦管，所述入口管连接在所述连通阀的上端，并将所述喷嘴压紧在所述连通阀内，所述聚焦管连接在所述连通阀的下端；
所述聚焦管和所述喷嘴之间形成一混合腔，沿连通阀径向分别固定有与所述混合腔连通的两直角连通管，所述直角连通管分别与一进料管相连，所述聚焦管的出口伸出所述连通阀外并与一侧向喷头相连；
所述侧向喷头内沿轴向设置有锥形孔和偏转装置，垂直于轴向则设置有侧出口孔，所述侧出口孔的入口夹设在所述锥形孔的出口和偏转装置之间；
所述偏转装置包括底座和设置于底座上的偏转销，所述偏转销的顶面为弧面，所述弧面与所述侧出口孔的下侧相交。
2.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述侧向喷头内设置有圆柱孔，所述偏转销容置于所述圆柱孔内。
3.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述聚焦管具有直径渐缩的圆弧形收敛口和细长孔，所述收敛口与所述混合腔相连通，所述细长孔与所述侧向喷头内的锥形孔相连通。
4.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述喷嘴具有入口和出口，所述入口的直径大于所述出口的直径，所述入口与所述入口管相连通，所述出口与所述混合腔相连通。
5.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述进料管与所述直角连通管垂直。
6.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述进料管与一放置颗粒的料斗相连。
7.根据权利要求6所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述颗粒为不锈钢、陶瓷或石英。
8.根据权利要求6所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述颗粒的直径为0.1-0.5mm。
9.根据权利要求1所述的用于空间受限部位水射流强化的侧向喷射装置，其特征在于，所述聚焦管与所述连通阀通过锁紧套和上螺纹压帽紧固连接。
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